Pointer Authentication

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简介

Pointer Authentication是ARM v8.3特性，Qualcomm和Apple的芯片均使能了该功能。Apple在iOS12中引入该功能，并通过PAC实现了用户态以及内核态的CFI，DFI。

PAC利用内存虚拟地址的高位存储内存地址的MAC值来计算和验证指针的完整性，从而保证控制流和数据流的完整性。

如Linux内核文档Documentation/arm64/pointer-authentication.rst中描述，PAC特性使用从54位开始到VA_SIZE位的空闲位存储PAC值。一般虚拟地址有效位为48位，那么用于PAC的就是7位，如果VA_SIZE是52位，那么PAC就只有4位。
与PAC类似的MTE特性，如Documentation/arm64/pointer-authentication.rst所述，则使用虚拟地址的59-56位。

工作原理

PAC的工作原理如下图所示：

假设指针值为ptr，且虚拟地址有效长度为48位，则PAC = ptr[54..48] = QARMA(ptr[47..0], context, key)。其中QARMA为ARM为PAC设计的MAC算法，算法输入为：

  • 内存地址值
  • context，或者modifier值。不同的汇编指令对应不同的context值。
  • 密钥

    PAC相关指令

    ARM通过一条指令来计算PAC值，即PAC*。同样使用一条指令来验证指针的PAC值，即AUT*指令。
  • PACIA Xd, Xn|SP：
    • address：Xd
    • context：Xn或SP值
  • PACIZA Xd
    • address：Xd
    • context：0
  • PACIA1716:
    • address：x17
    • context：x16
  • PACIASP：
    • address：x30，即LR寄存器
    • context：SP
      以上指令都是使用IA密钥。AUT相关指令与PAC指令类似。

密钥管理

PAC共使用5把密钥，每把密钥128位，分别为：

  • IA，IB
  • DA，DB
  • GA
    Apple使用了全部5把密钥，应用于不同的场景和数据类型。Linux仅使用了IAkey和PACIASP指令保证函数返回地址的完整性（后向CFI）。

Linux用户态可以使用全部5把密钥

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/*
 * We give each process its own keys, which are shared by all threads. The keys
 * are inherited upon fork(), and reinitialised upon exec*().
 */
struct ptrauth_keys_user {
	struct ptrauth_key apia;
	struct ptrauth_key apib;
	struct ptrauth_key apda;
	struct ptrauth_key apdb;
	struct ptrauth_key apga;
};

Linux内核态尽使用密钥IA
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struct ptrauth_keys_kernel {
	struct ptrauth_key apia;
};

Linux内核在进程调用exec系统调用时，为其初始化了所有5把密钥。同时，Linux提供了一个PRCTL，由用户态程序发起对全部5把密钥全部初始化。
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case PR_PAC_RESET_KEYS:
	if (arg3 || arg4 || arg5)
		return -EINVAL;
	error = PAC_RESET_KEYS(me, arg2);
	break;

PAC密钥的使用和设置，都是由内核触发，软件无法获取密钥明文。
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#define __ptrauth_key_install_nosync(k, v)			\
do {								\
	struct ptrauth_key __pki_v = (v);			\
	write_sysreg_s(__pki_v.lo, SYS_ ## k ## KEYLO_EL1);	\
	write_sysreg_s(__pki_v.hi, SYS_ ## k ## KEYHI_EL1);	\
} while (0)

其中k为APIA，APIB等代表密钥类型的字串。所以最终代表密钥的寄存器形如SYS_APIA_KEYLO_EL1，SYS_APIA_KEYHI_EL1。

Apple PAC

本文对Apple PAC的学习，主要来自于《Demystifying Pointer Authentication on Apple M1 - USENIX23》和两篇BlackHat的演讲：

增加寄存器

Apple silicon与PAC有关的寄存器主要有：EXTRAKEY_EL1、VMDIV_EL2和AP_CTL。

  • EXTRAKEY_EL1：用于修改实际使用的PAC密钥，以区分用户态密钥和内核态密钥，减少cross EL的攻击
  • VMDIV_EL2: 用于在key transformation process时为不同的VM和host派生不同的密钥，降低cross VM的攻击
  • AP_CTL：作为ARM SCTLR中PAC开关的补充
    • bit 0: Apple PAC总开关
    • bit 1，bit 4：分别在用户态和内核态控制EXTRAKEY_EL1
    • bit 2，bit3: 分别在用户态和内核态控制Apple PAC开关

改进算法

Apple PAC使用密钥的低64位先与context（modifier）作异或，再输入与密钥的高64位作PAC运算。
PAC = QARMA(ARMKey_HI, XOR(ARMKey_LO, context))

增加随机源

Apple PAC与ARM PAC不同的是，Apple PAC不再直接使用硬件寄存器中的密钥，转而使用key transformation process来派生密钥并使用。除了使用密钥寄存器中存储的密钥作为密钥材料之外，还引入了

  • VMDIV_EL2：作为cross VM的diversifier。Apple为每个VM以及host使用不同VMDIV_EL2值，确保不同的VM，以及VM与host之间有密钥隔离
  • EXTRAKEY_EL1：作为cross EL的diversifier。Apple XNU kernel在用户态使用EXTRAKEY_EL1与密钥进行异或后，作为密钥输入计算PAC值
    另外，Apple PAC还引入了per-boot的diversifier，以及per-key的diversifier，即每次重启，Apple PAC均会生成per-boot的随机值，作为key transformation process的随机源。同时，Apple PAC为每把密钥也生成了相应的随机盐值，确保即便被设置成同一个值，实际使用的密钥仍然是不同的。

Linux PAC

gcc支持编译程序时使能PAC。gcc相关参数可参考Using the GNU Compiler Collection (GCC): AArch64 Options
针对C语言代码：

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int main()
{
	return 0;
}

使用命令gcc -mbranch-protection=pac-ret+leaf main.c -o test编译可得到下面的汇编代码。其中使用IA key，对函数的返回地址进行校验，从而实现了后向CFI，可以消减ROP攻击风险。
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0000000000000714 <main>:
 714:   d503233f        paciasp
 718:   52800000        mov     w0, #0x0                        // #0
 71c:   d50323bf        autiasp
 720:   d65f03c0        ret

当前gcc的功能只有这些，远不如Apple的功能丰富。

参考链接